Princípio dos meios pesados Processamento de minerais

O processamento mineral por meio pesado é um método de separação por gravidade que separa minerais em um meio (meio pesado) com densidade superior à da água. Durante a separação mineral, a densidade do meio é maior do que a dos minerais mais leves a serem separados, mas menor do que a dos minerais mais pesados. O processamento de minerais por meios pesados baseia-se principalmente na densidade das partículas, sendo que o tamanho e a forma das partículas têm influência relativamente pequena. A partir do índice de desempenho da separação por gravidade, observa-se que o valor E aumenta com o aumento da densidade do meio, indicando que a precisão de separação do processamento de minerais em meio pesado é maior do que a do meio aquoso, separando efetivamente dois tipos de partículas minerais com uma diferença de densidade de 50–100 kg/m³. Os meios pesados são divididos em duas categorias: líquidos pesados e suspensões pesadas. Os primeiros consistem em alguns líquidos orgânicos de alta densidade ou soluções inorgânicas de salmoura. As segundas são suspensões de um agente de peso (minerais pesados finamente moídos ou ligas) misturados com água. Os líquidos pesados são tóxicos e caros, sendo utilizados apenas em laboratórios. As suspensões pesadas são baratas, facilmente disponíveis e não tóxicas, sendo amplamente utilizadas na indústria. O limite superior para o tamanho das partículas de alimentação na beneficiamento por meios pesados é de 300 mm, e o limite inferior é de 0,5 mm, com uma densidade de separação de 1.300–3.800 kg/m³. A análise por gravidade e o traçado de curvas de desempenho de separação são métodos comumente utilizados para determinar o tamanho das partículas de alimentação, a densidade de separação e os parâmetros de separação alcançáveis para o minério na beneficiamento por meios pesados.

Existem muitos tipos de separadores de meios pesados, incluindo principalmente cinco categorias: separadores de meios pesados cônicos, separadores de meios pesados em forma de tambor, eclusas vibratórias de meios pesados, hidrociclones de meios pesados e hidrociclones de vórtice de meios pesados. Os dois primeiros são equipamentos de separação estática, enquanto os três últimos são equipamentos de separação dinâmica. A separação estática é caracterizada pela baixa velocidade de movimento do meio, utilizando uma suspensão de partículas finas relativamente estável como meio, e a densidade do meio é próxima da densidade real de separação. A separação dinâmica é caracterizada pelo fato de o meio ser submetido a forças externas, resultando em movimento rotacional de alta velocidade ou pulsação vertical, utilizando-se como meio uma suspensão instável de partículas relativamente grossas, e a densidade de separação real é maior do que a densidade do meio de alimentação, permitindo o uso de meios de pesagem de menor densidade.

2.2.2 Separador de meios pesados

2.2.2.1 Separador cônico de meios pesados

A estrutura de um separador cônico de meios pesados é mostrada na Figura 2-1. Existem dois tipos: com elevação interna e com elevação externa. Sua forma é a de uma calha cônica, com lâminas agitadoras que giram lentamente (4-5 rpm) em seu interior para manter a estabilidade da suspensão pesada. Durante a operação, o minério de alimentação é introduzido acima da superfície do líquido, e a suspensão de meios pesados é alimentada a partir do ponto de alimentação e de diferentes profundidades no interior do cone. Os produtos leves transbordam pela barragem de transbordamento ao redor do cone, enquanto os produtos pesados são descarregados pela parte inferior por meio de um elevador a ar ou de uma bomba. O separador cônico de meios pesados é um separador estático de calha profunda. Devido ao volume grande e estável da calha do separador, as partículas minerais permanecem na calha por um longo tempo, resultando em alta precisão na separação de partículas finas. É adequado para o processamento de materiais com alto rendimento de produtos leves. A desvantagem é o grande volume de meios e o grande volume de meios em circulação. Geralmente, o tamanho das partículas de alimentação é de 50 a 3 mm, o diâmetro do cone é de 2 a 6 metros e a capacidade de processamento é de 25 a 150 toneladas/hora.

a — Tipo de elevação externa b — Tipo de elevação interna

Figura 2-1: Diagrama esquemático de um separador de meios pesados em forma de cone

1 — Alimentação; 2 — Meio; 3 — Produto leve; 4 — Produto pesado; 5 — Bomba; 6 — Elevador a ar

2.2.2.2 Separador de meios pesados do tipo tambor

Sua estrutura é mostrada na Figura 2-2. Existem versões de câmara única e de câmara dupla. A versão de câmara única utiliza apenas um meio, enquanto a versão de câmara dupla utiliza dois meios com densidades diferentes. Durante a operação, a suspensão e o minério são alimentados no tambor por uma extremidade, enquanto o produto mais leve é descarregado pela outra extremidade. O produto mais pesado sedimenta-se no fundo e é elevado por placas de elevação montadas na parede do tambor até a rampa de descarga para ser descarregado. O separador de meios pesados do tipo tambor é um separador estático de calha rasa. A profundidade da suspensão não é grande; a ação de agitação do tambor estabiliza a densidade da suspensão. A calha de descarga é relativamente larga, permitindo a descarga de partículas de minério mais grossas. No entanto, a forte agitação afeta a sedimentação das partículas finas, tornando-o inadequado para o processamento de partículas finas de minério. É adequado para aplicações com alto rendimento de produto pesado, e o volume do meio e o volume de circulação são menores do que os do separador de meios pesados do tipo cone. Geralmente, o tamanho das partículas de alimentação é de 150 a 6 mm, o diâmetro do tambor é de 1,5 a 3 metros e a capacidade de processamento é de 20 a 100 toneladas/hora.

a — Tipo de câmara única com dois produtos b — Tipo de câmara dupla com três produtos

Figura 2-2: Diagrama esquemático de um separador de meios pesados do tipo tambor

1 — Alimentação; 2 — Meio; 3 — Produto leve; 4 — Produto pesado; 5 — Meio de alta densidade;

6 — Meio de baixa densidade; 7 — Produto intermediário; 8 — Câmara de baixa densidade; 9 — Câmara de alta densidade.

2.2.2.3 Caixa de classificação vibratória de meio pesado

Sua estrutura é mostrada na Figura 2-3. Trata-se de uma longa caixa de canal vibratória com uma tela perfurada na parte inferior e uma câmara de água abaixo da tela. Durante a operação, o minério e a suspensão de meio pesado são alimentados pela extremidade de alimentação. Devido à oscilação do fundo da calha e ao fluxo ascendente de água abaixo da tela, o meio forma um leito de alta densidade com boa fluidez na calha. O minério se estratifica de acordo com a densidade e se move ao longo da calha, sendo finalmente descarregado separadamente como produtos leves e pesados através do defletor de separação na extremidade de descarga. Suas vantagens incluem a capacidade de utilizar meios de densificação de grãos grossos (-2 mm), alcançando uma concentração volumétrica de sólidos de até 60%, e atingir alta densidade de separação mesmo com meios de densificação de menor densidade (como a magnetita). A recuperação e a purificação do meio são simples. O tamanho das partículas de alimentação é de 75–6 mm, a largura da caixa de canalização é de 0,4–1,0 m e a capacidade de processamento é de 25–80 toneladas/hora. Devido à forte vibração do equipamento, ele raramente é utilizado atualmente.

Figura 2-3 Calha vibratória para meios pesados

1 — Corpo da calha; 2 — Placa de suporte com mola; 3 — Placa de peneiramento; 4 — Câmara de água; 5 — Placa defletora de separação

2.2.2.4 Hidrociclone para meios pesados

Sua estrutura é idêntica à de um hidrociclone convencional, frequentemente instalado em ângulo, com seu eixo formando um ângulo de 18° a 30° em relação à horizontal. Durante a operação, o minério e a suspensão pesada são alimentados no hidrociclone em uma determinada proporção (1:(4～6)) e pressão (0,08～0,2 MPa). Os produtos pesados são descarregados pela porta de subfluxo, e os produtos leves são descarregados pelo tubo de transbordamento. Quando a suspensão pesada gira em alta velocidade no hidrociclone, produz-se um efeito de concentração. A densidade da suspensão próxima ao tubo de transbordamento e ao eixo central é baixa, enquanto a densidade da suspensão próxima à porta de subfluxo e à parede é alta. Portanto, a densidade de separação real é maior do que a densidade real da suspensão alimentada. A densidade de separação é afetada pelos parâmetros estruturais do hidrociclone; aumentar o ângulo do cone e a relação entre o diâmetro do tubo de transbordamento e o da porta de subfluxo pode, em ambos os casos, aumentar a densidade de separação. Suas características são estrutura simples, tamanho compacto e a capacidade de utilizar meios de densificação de menor densidade. O limite inferior do tamanho das partículas de alimentação pode chegar a 0,5 mm, e o tamanho geral das partículas de alimentação é de 20 a 2 mm, o que é amplamente utilizado. A capacidade de processamento de um hidrociclone de meios pesados de φ430 mm é de 45 toneladas/hora.

2.2.2.5 Hidrociclone de vórtice com meio denso

Sua estrutura é mostrada na Figura 2-4. Existem três tipos de hidrociclones de vórtice com meio pesado: o tipo Tagawa, o tipo Diner e o tipo de três fluxos. Seu princípio de funcionamento é o mesmo de um hidrociclone de meios pesados, mas, durante a instalação, a entrada do fluxo inferior fica voltada para cima e o tubo de transbordamento fica voltado para baixo, o que permite aumentar o diâmetro da entrada do fluxo inferior para melhorar o tamanho das partículas do minério de alimentação. O tamanho das partículas de alimentação é geralmente de 40 a 2 mm.

Figura 2-4: Diagrama esquemático de um separador ciclônico de vórtice de meio pesado

1 — Alimentação; 2 — Meio de alimentação; 3 — Produto leve; 4 — Produto pesado; 5 — Duto de ar; 6 — Produto intermediário

O hidrociclone de vórtice do tipo Tagawa é um hidrociclone invertido verticalmente. Um duto de ar é inserido na porta de descarga do produto pesado para estabilizar a coluna de ar no interior do hidrociclone. O rendimento dos produtos leves e pesados pode ser ajustado alterando-se a posição vertical do duto de ar ou modificando-se a relação entre o diâmetro da porta de saída inferior e o do tubo de transbordamento. O diâmetro do hidrociclone é de 300 a 500 mm, o tamanho das partículas de alimentação é de 30 a 75 mm e a capacidade de processamento é de 20 a 80 toneladas/hora.

O hidrociclone de vórtice do tipo DINA é um hidrociclone cilíndrico instalado em um ângulo de 25° em relação à horizontal. A saída central nas extremidades superior e inferior do cilindro serve como entrada de alimentação e saída do produto leve. Durante a operação, a suspensão é alimentada tangencialmente pela entrada próxima à parte inferior do cilindro, e o produto pesado é descarregado tangencialmente pela saída próxima à parte superior do cilindro. Entre suas vantagens está a alimentação separada do minério e da suspensão, o que facilita o controle da densidade da suspensão. Simultaneamente, a suspensão atua como uma camada protetora para a parede do recipiente, resultando em desgaste mínimo do cilindro. A relação de rendimento entre o produto pesado e o produto leve pode ser ajustada em uma ampla faixa (de 9:1 a 1:9). O tamanho das partículas de alimentação é de 40–2 mm. O diâmetro do cilindro é de 225–400 mm, e a capacidade de processamento é de 10–80 toneladas/hora.

O hidrociclone de vórtice de três fluxos é um hidrociclone DINA de dois estágios, em que cada estágio possui uma entrada separada para o meio e uma saída separada para o produto pesado. A alimentação entra no primeiro estágio; o produto leve proveniente do primeiro estágio entra no segundo estágio; e o produto leve final é descarregado do segundo estágio. Suspensões com densidades iguais ou diferentes podem ser alimentadas nos dois estágios. O primeiro é utilizado para separar o produto pesado, o produto leve e o produto intermediário a ser processado. O segundo é utilizado para separar dois produtos pesados com propriedades diferentes e um produto leve. Sua principal característica é a alta eficiência de separação. O diâmetro do cilindro é de 250 a 500 mm, e a capacidade de processamento é de 15 a 90 toneladas/hora.